1. 머리말

ESS(Energy Storage System)는 국가의 정책적인 지원으로 인해 2012년에는 총 설치 용량이 1MWh에 불과하였으나 2017년 625MWh로 급성장하였다. 2018년도에는 그 성장이 더욱 가속화 돼 6월 기준으로 1,182MWh가 구축됐고 연말까지 3GWh이상이 설치될 것으로 추정된다. 현재 태양광, 풍력 등 신재생에너지 연계용, 한전 및 공장, 공공건물 등 1,400여 개소에 설치돼 있다. 에너지 저장 시스템은 생산된 전기에너지를 리튬이온 배터리 등을 활용하여 저장한 후 필요 시 사용할 수 있도록 하는 시스템으로 이를 통해 전력산업의 효율성이 높아지고 신재생에너지의 사용이 더욱 용이해 졌다. ESS의 화재위험성은 국내뿐 아니라 해외에서도 이슈인데 이는 세계 최고의 화재안전 기관 중 하나인 NFPA(National Fire Protection Association)가 주관한 2018 NFPA Conference & Expo에서도 ESS 관련 세션이 상당수를 차지하고 있는 것만 봐도 알 수 있다. 여기서는 국내 ESS 화재 현황을 정리하고 화재를 예방하고 이로 인한 피해를 줄일 수 있는 안전관리 기준에 대해서 알아보고자 한다.

2. ESS의 종류

ESS는 생산된 잉여 에너지를 그대로 또는 변환하여 저장하고 있다가 필요한 경우 에너지를 공급하는 시스템으로 에너지 사용 효율을 향상시키는 역할을 한다. ESS에는 다양한 방식이 있는데 [그림 1]과 같이 배터리 방식의 ESS 시장이 급격히 성장할 것으로 전망된다. 리튬이온방식의 ESS의 설치단가가 [그림 2]와 같이 지속적으로 절감될 것으로 예상되어 시장에서의 경쟁력은 더욱 강화될 것으로 예상된다. 에너지를 저장하는 기술은 과거의 양수발전, 납축전지 및 압축공기 방식 등 기술의 성숙도가 높은 방식을 포함한 다양한 방식이 있으나 국내에서는 <표 1>에 보듯이 리튬이온방식이 부각되고 있다.

리튬이온 방식은 다른 방식에 대비하여 단위 질량당 에너지, 단위 체적당 에너지 성능이 우수하여 상대적으로 국토가 좁은 우리나라 실정에 적합하며, 핵심 부품인 배터리 생산 기술 또한 세계적인 수준이다. 다만, 리튬이온 방식은 다른 방식 대비 상대적으로 화재위험이 높아 이에 대한 대책이 필요하다.

3. 국내 ESS 화재 현황

국내에서 리튬이온배터리 ESS 화재는 <표 2>와 같이 2017년 8월 2일 이후로 지금까지 총 21건이 발생하였다. ESS 활용목적에 따른 화재 건수는 태양광 발전 연계용 12건으로 가장 많았으며, 피크 부하 제어용 4건, 풍력발전 연계용 3건, 주파수 조정용 2건 순이었다.

ESS 화재에 대한 정확한 원인은 2019년 1월에 구성된 사고조사위원회의 조사가 3월에 완료되고, 좀 더 시간이 경과되어야 알 수 있을 듯하다.1)하지만, 일부 보도자료를 근거로 원인2)을 추정해 본다면 화재원인으로 ① 설치 작업자 부주의·시공 불량, ② 필수 보호 연결 장치 누락, ③ 배터리 시스템 결함 등을 꼽을 수 있다고 한다. 이 기사에 따르면 2017년 8월부터 2018년 11월 까지 발생한 ESS 사고 15건 중 작업자 부주의 및 시공불량으로 추정되는 사고가 5건이며, 갑자기 유입되는 고압의 전기로부터 설비를 보호하는 장치인 서지 어레스터(Surge Arrester) 미장착으로 발생된 사고 및 배터리 불량으로 발생한 사고들이 있다고 한다. 국내뿐만 아니라 해외에서도 빈번히 발생하는 ESS 사고로 인해 이와 관련된 안전관리 기준이 활발히 제·개정되고 있어 이러한 기준에는 어떠한 것이 있는지 살펴보았다.

4. ESS 관련 안전관리 기준

ESS 관련 주요 안전관리 해외 기준으로는 세계적인 재물보험 전문 회사인 FM글로벌에서 2017년 1월에 제정한 FMDS 0533(Electical energy storage systems), 미국의 민간 기준 개발 단체인 ICC(International Code Council)에서 IFC(International Fire Code) 2018과 국제적인 민간 기준 개발 기관인 NFPA(National Fire Protection Association)에서 제정 중인 NFPA 855( Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems)가 있다. 국내에서는 2018년 화재보험협회에서 제정을 완료한 KFS 412(리튬이온배터리 에너지 저장장치(ESS)의 안전관리 가이드) 기준이 있으며, 전기설비기술기준의 판단기준에 전기저장장치 화재 확산방지를 위한 내용을 포함하여 개정하려는 단계에 있고, 국가기술표준원에서 전기에너지저장(ESS) 시스템과 관련한 KS 기준 제정을 준비 중에 있다.

화재보험협회에서 제정한 KFS 기준은 NFPA 855와 FMDS 0533을 주로 참조하여 제정되었고, 전기설비기술기준은 IFC 2018을 주로 참조하여 제정되었다. 이 중 KFS와 NFPA 855, FMDS 0533 및 IFC 2018에서 담고 있는 주요 내용을 KFS 412를 기준으로 <표 3>와 같이 비교해 보았다. 각 기준의 특징이 상이하고, 특히 FMDS 0533 에서는 일부 세부적인 내용은 제조사 매뉴얼에 따르도록 되어 있어 명확한 비교가 어려워 KFS 412 주요내용을 위주로 비교한 것으로 이 비교가 기준간의 우열을 나타내는 것은 아님을 유의해야 한다.

랙간 0.9m 이상 이격거리를 둘 것을 요구하고 있다. 국내 제조업 중 전기 사용량이 많은 제지업이나 시멘트 업종 등의 경우 전기세 감면 혜택 등을 위해 사업장에서 기존의 부지에 리튬이온배터리 ESS를 지어야 하는 경우가 많은데, 이 경우 해외기준에서 요구하는 이격거리 조건을 만족하여 설치하는 것이 매우 어렵다. 이 경우 UL9540A 에 따른 실대규모 화재시험 등을 통해 안전성이 검증되는 경우에 용량 제한을 완화해 줄 수 있다. 하지만 국내에서는 실대규모 화재시험을 통해 랙간의 용량제한 완화 및 스프링클러 등 소화설비의 유효성 등에 대한 검증이 필요한데 이것이 녹록치 않아 보인다. 2018년 12월에 작성된 「전기저장장치(ESS) 화재 확산방지」를 위한 전기설비기술기준의 판단기준 개정(안) 설명자료에 따르면 이를 수행할 수 있는 시험기관이 국내에는 없기 때문이다.

5. ESS 설치, 유지관리 및 점검 시 유의 사항

KFS는 화재보험협회에서 제정·관리하고 있는 전문 민간방재기술기준으로 현재 72개의 기준이 제·개정되었으며, 이 중 ESS의 안전관리와 관련된 KFS 412(리튬이온배터리 에너지 저장장치(ESS)의 안전관리 가이드)에서 ESS의 설치, 유지관리 및 점검 시 유의해야 할 주요 사항을 다음과 같이 정리해 보았다. 참고로 기준 전문은 https://kfs.kfpa.or.kr/에서 누구나 열람할 수 있다.

가. 방화구획

- ESS가 설치된 공간의 바닥, 천장, 벽 등은 최소 1시간 이상의 내화성능을 가질 것

- ESS가 설치된 공간을 관통하는 설비가 있는 경우 개구부는 건축물의 방화구조와 동등 또는 1시간 중 높은 등급의 내화충전재를 적용할 것

나. 용량 및 이격거리

- ESS 각 랙의 최대 에너지 용량이 250kWh를 넘지 않도록 구성할 것

- ESS는 각 랙 및 벽체로부터 0.9m 이상 이격할 것

- ESS는 공정지역과 15m 이상 이격할 것

다. 환기설비

- 기계적인 환기설비는 공간의 바닥면적 기준 5.1L/sec/㎡ 이상으로 할 것

- 환기설비는 연속적으로 작동되거나 가스감지기에 의해 작동되어야 하며 수신기에서 감시할 것

- 가스감지설비는 공간 내의 가연성 가스 농도가 연소하한계(LFL)의 25%를 초과할 때 기계적인 환기설비를 작동시킬 수 있도록 할 것

- 가스감지설비는 2시간 이상의 예비전원을 확보할 것

​라. 수계 소화설비

- 스프링클러소화설비를 설치하는 경우 최소 방사밀도는 12.2 LPM/㎡(12.2mm/min) 이상으로 할 것(가스계소화설비도 설치는 가능하나 진압 실패사례가 확인되고 재발화 시 대응이 어려울 수 있으므로 가급적 수계소화설비 설치를 권장)

마. 옥외 설치 시 추가 고려사항

- 옥외의 컨테이너 또는 이와 유사한 것 내부에 ESS를 설치한 경우 생산설비, 공공도로, 건물, 가연물, 위험물 및 기타 이와 유사한 용도와는 3m 이상 이격할 것

- 옥외의 컨테이너 또는 이와 유사한 것 내부에 ESS를 설치한 경우 그 크기는 16.2m × 2.4m × 2.9m(높이)를 초과하지 않을 것

- 옥외에 다수의 컨테이너 또는 이와 유사한 것 내부에 ESS를 설치한 경우 그 사이의 이격거리는 6m 이상 되어야 하며, 6m 이내로 이격할 경우에는 1시간 이상의 내화성능을 갖는 벽체를 사이에 둘 것

- 옥외에 ESS가 설치된 경우 3m 이내에는 초목이나 가연물 등으로 인해 화재가 확산되지 않도록 관리할 것

- 옥외의 컨테이너 또는 이와 유사한 것 내부에 ESS를 설치한 경우 옥외의 컨테이너 또는 이와 유사한 것의 재질은 열을 쉽게 외부로 방출할 수 있도록 철이나 금속류의 불연성이어야 하고 방수 기능이 있어야 할 것

바. 비상계획수립 및 훈련

- ESS 소유주 또는 지정된 대표는 ESS 설비 담당 직원과 비상 대응 담당 직원이 현장에서 효과적으로 예측 가능한 위험에 대응할 수 있도록 비상계획을 수립하고 훈련을 할 것

- 비상운전계획은 안전정지절차, 전원인출(de-energizing) 절차, 비상 상태 시 화재, 감전 등의 위험을 줄이기 위한 장치 및 설비의 차단 절차와 비상상태의 종료 후 안전한 시동(start-up) 절차 등을 포함하고 있을 것

사. 운영 및 유지관리

- ESS는 제조사 지침 또는 운영 및 유지관리 문서에 따라 운영 및 유지관리 되어야 할 것

- ESS가 설치된 공간에는 ESS와 관련되지 않은 가연물을 보관해서는 안되며, ESS와 관련된 가연물은 ESS 로부터 0.9m 이상 이격하여 보관할 것

- ESS 설비는 제조사 지침에 따라서 정비할 것

6. 맺음말

ESS 관련 시장 규모가 급격히 성장하고 있으며, 우리나라는 정책적으로 리튬이온배터리 방식의 ESS를 지원하고 있지만 최근 빈번한 화재사고로 인한 안전성 문제 등으로 인해 회의적인 시선도 일부 있다. 리튬이온배터리는 전기자동차에도 이미 사용되고 있는 기술인데 상식적으로 더 위험하다고 생각되는 전기자동차에서는 별 이슈가 되질 않는데 유독 ESS에서 문제가 되는 원인은 전기자동차는 온도와 충돌과 같은 외부 충격 등에 의한 리스크를 초기단계부터 예상하고 이에 대응한 기능을 갖췄지만, ESS는 고정식으로 설치되므로 상대적으로 안전성에 대한 부분을 등한시 하지 않았나 조심스럽게 추측해 본다. 또한 리튬이온 배터리 방식의 ESS는 크게 배터리 및 BMS(Battery management system), PCS(Power Conversion System / Power Conditioning System), EMS(Energy Management System)의 주요 부품에 대한 제조사가 상이하므로, 주요 부품간의 호환성 등에 대해 충분한 검증이 되었는지도 되짚어 볼 필요가 있다.

리튬이온배터리 방식의 ESS 안전성 등을 고려한 명확한 설치기준이 없는 상태에서 국내 시장이 활성화되다 보니 현재의 ESS 해외 기준을 국내 실정과 비교해 보면 설치 용량 및 이격 거리 등에 적합한 현장을 찾아보기 어렵다. 이 경우 실대규모 화재시험 등을 통해 ESS 설비 및 소화설비의 유효성을 확인해야 하는데, 이 또한 해외 기준을 만족하는 시험기관이 없는 실정이다. 해외 기준을 그대로 준용하여 시험을 못한다면, 국내 실정에 맞는 유사 시험 등을 통해 안전성을 검증하는 등의 대안을 모색해야 할 것이다. 또한 합동조사의 결과에 따른 대응책 마련 등을 통해 리튬이온 배터리 ESS의 안전성을 강화해 나간다면 현재의 위기를 기회로 전환할 수 있지 않을까 생각해 본다.